Ученые нашли доказательство того, что Земля была покрыта глобальным океаном, который превратил планету в «водный мир» более 3 млрд лет назад. Открытие помогает не только понять, где и как появилась первая одноклеточная жизнь на Земле, но и определить, какие экзопланеты могут быть обитаемыми.
Что известно науке о Земле в период 3 млрд лет назад и по каким критериям астрономы планируют искать потенциально обитаемые миры?

Что именно выяснили ученые

Состояние планеты и процессы, которые происходили на ней 3 млрд лет назад, вызывают множество споров среди ученых — в первую очередь, потому что на поверхности Земли сохранилось мало геологических памятников этого периода.
Однако существует несколько регионов, где древние породы подходят близко к поверхности. Одним из них является Панорама — засушливая и малонаселенная область в Западной Австралии, где ученым из Университета Колорадо удалось извлечь образцы керна возрастом около 3,24 млрд лет.
В этой местности на поверхность выходит плита, которая в архее находилась на дне океана. Ученые воспользовались этим, чтобы определить содержание в ее породах различных видов кислорода, которые накапливаются в минералах при взаимодействии с морской водой. В частности они проанализировали относительные количества двух изотопов: легкого кислорода-16 и чуть более тяжелого кислорода-18 в более чем 100 образцах.
Анализ показал, что количество этих изотопов значительно превышает их содержание в породах, которые омываются морской водой прямо сейчас. Ученые считают, что такой результат говорит о том, что примерно 3,24 млрд лет назад суши на Земле практически не существовало, а вся поверхность была покрыта водой.


«Без континентов над океаном значение кислорода было бы отличным от сегодняшнего, и это именно то, что мы нашли», — пишет ведущий автор исследования Бенджамин Джонсон.
При этом результаты исследования не означают, что Земля была полностью лишена суши — исследователи полагают, что в этот период развития планеты на ее поверхности могли существовать «микроконтиненты», которые поднимались над поверхностью океана на большом удалении друг от друга.
При этом анализ с высокой долей вероятности исключает существование огромных богатых почвой континентов, подобные тем, которые доминируют сегодня на Земле, а также суперконтинентов — таких, как гипотетический Ваальбара.
Ваальбара — первый гипотетический суперконтинент на Земле, который, предположительно, существовал в эпоху архея — 3,6–2,8 млрд лет назад. Его формирование, согласно гипотезе ученых, началось 3,6 млрд лет назад, а завершилось 3,1 млрд лет назад. Суперконтинент раскололся на более мелкие около 2,5 млрд лет назад.
«Я представляю картину, похожую на то, как выглядят Галапагосские острова, если посмотреть на них с запада: огромные просторы океана на север и юг с небольшими скалистыми вулканическими островками, едва поднимающимися над поверхностью океана», — комментирует Джонсон.
Однако возможны и иные объяснения очень высокого содержания изотопов кислорода в породах того периода, отмечают авторы исследования. Такие же химические характеристики могут возникнуть, если континенты формировались гораздо медленнее, чем полагают ученые.
Еще одна гипотеза заключается в том, что континентальные глины, которые сейчас представляют собой твердые породы, образовались не на суше, а в океане.

Что было на Земле, кроме океана

Гипотезы о том, как именно и когда на Земле сформировались первые континенты, до сих пор являются предметом спора среди ученых. Существует теория, что крупные участки суши на поверхности планеты появились в результате замедления потери тепла из недр Земли.


Самому старому из сохранившихся континентальных материалов около 4 млрд лет — то есть он сформировался примерно через 600 млн лет после формирования планеты. Если это действительно так, он возник еще до того, как Землю начали бомбардировать обломки объектов, оставшихся от формирования Солнечной системы, — и до того, как на планете появилась вода. Однако найти веские доказательства существования континентов до Гондваны ученым пока не удавалось.

Гондвана

Большинство исследователей сходятся в том, что порядка полумиллиарда лет назад на Земле доминировал суперконтинент Гондвана, который существовал до Юрского периода и распался на части около 180 млн лет назад.
В состав Гондваны входили Африка, Южная Америка, Антарктида, Австралия, Новая Зеландия, а также Аравия, Мадагаскар и Индостан. Она образовалась в конце докембрия в результате раскола суперконтинента Родиния.
Примерно 3 млрд лет назад, в период, описываемый авторами исследованиями, на Земле заканчивалась геологическая эпоха архея (2,5–4 млрд лет назад). Считается, что в это время в атмосфере планеты практически отсутствовал свободный кислород, а количество парниковых газов многократно превышало нынешние показатели.
Жизнь на Земле появилась еще в начале архея, а к 3 млрд лет назад доминирующей формой жизни на Земле были цианобактериальные маты (строматолиты) и археи.
Строматолиты внешне напоминали камни, но в действительности представляли собой конгломераты живых бактерий. В них входили аэробные и анаэробные бактерии, которые в процессе фотосинтеза преобразовывали солнечный свет и воду в глюкозу — простую форму сахара. В ходе этого процесса в качестве побочного продукта высвобождался кислород.


Ученые считают, что современная тектоника плит с ее зонами субдукции, центрами распространения, землетрясениями и всеми другими известными нам особенностями, вероятно, также началась в эпоху архея — около 3,2 млрд лет назад.
Это доказывают образцы пород древней земной коры возрастом от 3,9 млрд до 2,5 млрд лет, найденные учеными на Юго-Западе Гренландии. Исследователи провели анализ количества нейтронов в атомах гафния, чтобы выяснить, как долго каждый образец был частью земной коры.
По мере того, как породы на поверхности расплавляются и перерабатываются, содержание в них изотопов гафния меняется. Ученые обнаружили, что концентрация гафния в более старых породах, возраст которых превышает 3,2 млрд лет, существенно отличается от количества в более молодых. Эту разницу ученые объясняют тем, что примерно в это время на Земле началась тектоника плит.
Согласно одной из теорий, в начале эпохи архея вертикальные струи очень горячей магмы в мантии, вероятно, доставляли материал прямо на поверхность Земли, образуя первые куски континентальной коры.
Постепенно — между 3,2 и 3,5 млрд лет назад — мантия остыла и горячих магматических шлейфов стало меньше. Исследователи полагают, что в мантии сформировались устойчивые конвекционные ячейки, которые начали управлять движениями и субдукцией плит, а тектоника плит начала формировать поверхность Земли.
С тех пор большая часть новой коры проникла на поверхность Земли в тех местах, где расположены центры распространения, и в зонах субдукции. Одним из примеров является зона субдукции Мариана, где образовалась Марианская островная дуга и расположена Марианская впадина — самое глубокое место в океане.